每一個黑洞的中心都有一個奇點

    每一個黑洞的中心都有一個奇點：在那裡，密度無窮大、引力無窮大，所有已知的物理規律統統崩潰，科學完全不起作用。

    物理學家一直認為——或者說希望奇點永遠被囚禁在黑洞內部，這樣就不會對外面的世界產生不可預測的影響。然而，他們或許都錯了：大質量恆星的引力坍縮或許最終不會形成黑洞，而是產生一個直接暴露在外面的裸奇點。

    現代科學給這個世界帶來了許多奇思異想，最古怪的一條，無疑是大質量恆星在「生命」演化到盡頭時所要面對的終極命運：一顆大質量恆星在持續「燃燒」數百萬年後耗盡燃料，無法繼續與自身引力相抗衡，不可避免地踏上毀滅性的坍縮之路。像太陽這樣的中等質量恆星，坍縮到一定程度便會穩定下來，成為體積更小的白矮星；但如果一顆恆星的質量足夠大，它的引力就會壓倒一切企圖阻止坍縮的力量——這顆直徑數百萬千米的恆星會一直坍縮，最終比字母「i」上那個小點還要小。

    大多數物理學家和天文學家認為，這樣的坍縮最終會形成黑洞——一種引力超強的天體，沒有任何東西能從它的周邊區域中逃脫。一個黑洞由兩部分組成：核心處是一個奇點(singularity)，那顆恆星上的所有物質都被壓縮在這個無窮小的點中；圍繞在奇點周圍的則是一個不可能從中逃脫的空間區域，它的邊界被稱為「事件視界」(event horizon)。任何東西一旦落入事件視界，就失去了逃出生天的所有希望，它們發出的任何光線都被囚禁在視界之中，因此外界觀測者永遠不可能再看到它們。這些東西最終也都會被擠入奇點。

    但事實果真如此嗎？已知的物理規律可以肯定，這種坍縮會形成奇點，但事件視界是否隨之形成，至今仍沒有明確答案。大多數物理學家默認「事件視界必然產生」的假設，僅僅是因為視界為科學提供了一塊極具誘惑力的「遮羞布」。物理學家還沒弄明白，奇點處到底發生了什麼：物質受到擠壓，然後變成什麼？事件視界把奇點隱藏起來，也掩飾了我們知識結構中的不足。奇點處或許上演著各種科學上未知的現象，但它們對外部世界不會產生任何影響。這樣，天文學家在繪製行星及恆星運行軌道的時候，才可以心安理得地運用物理學標準定律，而不用去考慮奇點可能帶來的不確定性——不論黑洞中發生了什麼，都只能被囚禁於黑洞內部。

    越來越多的研究者對這個主流假設提出了質疑。研究人員已經發現了多種恆星坍縮模型，事件視界在這些模型中根本不會形成，因此奇點會持久暴露於我們的視線之中。物理學家把這樣的奇點稱為裸奇點(naked singularity)。深入黑洞內部去探查一個奇點，是一條名副其實的「不歸路」，然而從理論上講，你可以隨心所欲地靠近一個奇點，詳加探查後再平安返回，講述你的冒險經歷。

    如果裸奇點確實存在，那麼天體物理學和基礎物理學的各個方面，都會遭到巨大的衝擊。沒有了視界的遮蔽，發生在奇點附近的神秘現象就可能影響外部世界。裸奇點或許可以解釋天文學家已經觀測到的不明高能現象，或許還能提供一個天然實驗室，讓物理學家探索時空的最精細結構。

    宇宙監察員

    科學家曾經認為，事件視界會是黑洞比較容易理解的那一部分。奇點顯然是不可思議的——引力在那裡變得無窮大，已知物理規律在那裡全部失效。根據目前物理學家對於引力的理解(即愛因斯坦的廣義相對論)，一顆大質量恆星在坍縮過程中必然產生奇點。廣義相對論並沒有考慮對微觀物體十分重要的量子效應，這些效應大概會在關鍵時刻發揮作用，阻止引力強度真正變成無窮大。不過物理學家仍在排除萬難，努力發展解釋奇點所需的量子引力理論。

    相比之下，發生在奇點周圍時空區域中的現象似乎應當更容易理解。恆星坍縮形成的事件視界直徑可達好幾千米，遠遠大於量子效應發揮作用的典型尺度。假設自然界中不存在新的作用力來插手此事，事件視界就應該完全由一種理論來支配——這就是基本原理早已被瞭解透徹，並且經受住了90多年觀測檢驗的廣義相對論。

    儘管如此，把廣義相對論運用於恆星坍縮仍是一項令人望而卻步的艱巨任務。愛因斯坦引力方程之複雜是出了名的，為了求出這些方程的解，物理學家必須做一些簡化假設。20世紀30年代末，美國物理學家J·羅伯特·奧本海默(J. Robert Oppenheimer)和哈特蘭·S·斯奈德(Hartland S. Snyder)進行了初步嘗試，印度物理學家B·達特(B. Datt)也對此進行了獨立研究。為了簡化方程，他們只考慮形狀為完美球狀的恆星，假設這些恆星由密度均勻的氣體構成，並且忽略氣體壓強。他們發現在這種理想化的恆星坍縮過程中，恆星表面的引力逐漸增強，最終大到足以囚禁所有的光和物質，從而形成一個事件視界。這顆恆星變得無法再被外界觀測者看到，不久後便直接坍縮成一個奇點。

    真正的恆星當然要複雜得多：它們的密度並不均勻，內部氣體會產生壓強，形狀也可能多種多樣。任何一顆質量足夠大的恆星坍縮後都會成為一個黑洞嗎？1969年，英國牛津大學的物理學家羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)提出，答案應該是肯定的。他猜測，在一顆恆星的坍縮過程中如果產生一個奇點，就必然會有一個事件視界隨之形成。大自然禁止我們看見任何一個奇點，因為總是會有一個視界將它遮蔽起來。彭羅斯的猜測被學術界稱為「宇宙監察假設」(cosmic censorship hypothesis)。這只是一個猜測，卻成為整個現代黑洞研究大廈的基石。物理學家希望，我們能夠像證明奇點不可避免那樣，用同樣嚴格的數學方法來證明宇宙監察假設。

 

裸露的奇點

    可惜，宇宙監察假設至今未被證明。由於找不到宇宙監察假設能夠應用於所有情況的直接證據，我們不得不踏上一條更漫長的探索之路——將初步分析中沒有考慮到的特徵逐一添加到理論模型之中，對不同的恆星引力坍縮過程進行細緻的案例分析。1973年，德國物理學家漢斯·於爾根·塞弗特(Hans Jurgen Seifert)及其同事分析了恆星密度不均勻的情況。有趣的是，他們發現不同的物質層在坍縮下落過程中相互交錯，會產生出沒有視界遮掩的、持續時間很短的奇點。不過奇點也分很多種，這些奇點算是相當「良性」的。儘管在某個位置密度變得無窮大，引力強度卻仍然有限，因此這個奇點不會將物質和下落的物體擠壓成一個體積無窮小的點。廣義相對論不會在這裡崩潰，物質會穿過這個位置繼續下落，而不會在這裡抵達終點。

    1979年，美國加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利(Douglas M. Eardley)和伊利諾伊大學香檳分校的拉裡·斯馬(Larry Smarr)更進了一步，對一顆恆星的坍縮過程進行了數值模擬，這顆恆星的密度分佈與真實恆星無異——中心處密度最高，越靠近表面密度越低。1984年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的季米特裡奧斯·赫裡斯托祖盧(Demetrios Christodoulou)完成了這種情況下恆星坍縮的嚴格數學推導。這兩項研究都發現，這顆恆星的體積會收縮到零，最終形成一個裸奇點。不過這個模型仍然沒有考慮氣體壓強，當時在英國約克大學工作的理查德·P·A·C·紐曼(Richard P.A.C. Newman)也證明，那個奇點的引力強度仍然不強。

    受到這些發現的啟發，包括我在內的許多研究人員試圖嚴格歸納出一套定理，證明裸奇點的引力強度總是很弱。可惜，我們又沒有成功。失敗的理由很快就浮出水面：裸奇點的引力強度並不總是很弱。我們發現，一些不均勻坍縮過程可以產生真正的強引力奇點，能夠將物質擠壓到無形，並且外界觀測者仍然可以看到這些奇點。1993年，我和當時就職於印度亞格拉大學(Agra University)的因德雷斯·德維韋迪(Indresh Dwivedi)合作，發展出一套不考慮氣體壓強的恆星坍縮通用分析方法，最終證實了上述觀點。

    20世紀90年代初，物理學家開始考慮氣體壓強的作用。以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)的阿莫斯·奧裡(Amos Ori)和耶路撒冷希伯來大學(Hebrew University of Jerusalem)的茨維·皮蘭(Tsvi Piran)進行了數值模擬，我的研究團隊則從數學上嚴格求出了相關方程的解，兩項研究的結論都是：密度-壓強關係遵從真實物理定律的恆星會坍縮形成裸奇點。大約同一時期，義大利米蘭理工大學(Polytechnic University of Milan)的朱利奧·馬利(Giulio Magli)和日本大阪市立大學(Osaka City University)的中尾賢一(Kenichi Nakao)各自帶領研究小組，考慮了一顆坍縮恆星內部由粒子旋轉產生的某種壓強。他們同樣證明，在許多情形下，坍縮最終會形成一個裸奇點。

    這些研究分析的恆星都是完美球體。這個限制條件看似十分嚴格，實際上卻並非如此，因為自然界中大多數恆星的形狀都非常接近完美球體。要說形狀因素有影響的話，球狀恆星其實比其他形狀的恆星更有利於事件視界的形成，因此，如果宇宙監察假說對球狀恆星都無法成立，它的前途似乎就大大不妙了。儘管如此，物理學家仍然在不懈地探索非球狀恆星的坍縮。1991年，美國伊利斯伊大學的斯圖爾特·L·夏皮羅(Stuart L. Shapiro)和康奈爾大學的紹爾·A·托伊科爾斯基(Saul A. Teukolsky)進行了數值模擬，表明橢圓形的恆星可以坍縮成一個奇點。幾年後，我和波蘭科學院的安傑伊·克魯拉克(Andrzej Krolak)合作研究了非球對稱坍縮，結果同樣產生了裸奇點。必須指出的是，這兩項研究都沒有考慮氣體壓強。

    一些持懷疑態度的人已經提出質疑：這些裸奇點會不會是人為設計的結果。如果對這些模型中恆星的初始性質稍加改動，坍縮過程是不是就會完全不同，最終形成一個事件視界遮蔽那個奇點？果真如此的話，裸奇點可能就是計算過程中採用近似方法而造成的人為假象，並不會真正在自然界中形成。一些涉及物質異常形態的模型確實對初始條件非常敏感。不過到目前為止，我們的研究結果證明，大多數裸奇點在初始條件細微改變之後仍然穩定存在。因此，這些坍縮模型在物理學上似乎站得住腳——也就是說，裸奇點並不是人為設計的結果。

    製造裸奇點

    這些與彭羅斯猜測恰恰相反的例子，表明宇宙監察假說並不是一條不可違背的自然準則。物理學家無法斷言：「任何大質量恆星的坍縮都只能產生一個黑洞」，或者「任何物理學上切實可行的坍縮最終結果都是黑洞」。在一些情況下，恆星會坍縮成黑洞；而在其他情況下，坍縮會形成一個裸奇點。在一些模型中，奇點只是暫時裸露，最終事件視界還會形成，並把奇點遮蔽起來；而在其他模型中，奇點永遠裸露在外。裸奇點通常形成於恆星坍縮的幾何中心，但並不總是如此；就算裸奇點在幾何中心處形成，它也可能漂移到其他區域。奇點的裸露程度也分不同等級：事件視界能夠阻擋遙遠的觀測者窺探奇點的好奇目光，但那些已經落到事件視界以內的觀測者，在撞上奇點之前有可能先看到它。裸奇點的多種多樣簡直令人不知所措。

    我和同事已經從這些模型中分離出了決定事件視界會不會形成的各種特徵。確切地說，我們仔細檢查了密度不均勻性和氣體壓強的作用。根據愛因斯坦的理論，引力是一個十分複雜的現象，不僅涉及一種相互吸引的作用力，還涉及多種效應——剪切效應(shearing effect)就是其中之一，即不同的物質層沿著相反的方向側向平移。一顆正在坍縮的恆星密度高到一定程度，按理說應該能夠囚禁包括光線在內的所有物質，但如果恆星內部密度分佈不均勻，其他這些效應就會打通一些「生路」，讓物質和光能夠逃脫困境。比方說，奇點附近物質的剪切作用能夠觸發強大的激波，將物質和光拋射出去——本質上說，這就如同一場引力颱風，攪亂了事件視界的形成。

    具體地說，我們不妨考慮一顆密度均勻的恆星，忽略氣體壓強(壓強會改變一些細節，但不會改變整個過程的大致走向)。隨著這顆恆星的坍縮，引力越來越強，運動物體的軌跡也越來越彎，就連光線也不例外。到了某一時刻，光線彎曲到一定程度，再也無法離開這顆恆星，一片能夠囚禁光的區域便形成了。這片區域最初很小，但隨即擴大，最後穩定下來，半徑正比於這顆恆星的質量。與此同時，由於恆星密度在空間上均勻分佈，只隨時間變化，因此整顆恆星會在同一時刻被擠壓到一點。光在此前就被囚禁了，因此，這個奇點自誕生時起就被永遠隱藏了起來。

    現在考慮另一顆其他情況完全相同、只是內部密度從中心向外逐漸降低的恆星。事實上，這顆恆星內部的物質結構就像洋蔥一樣，呈現出一層一層的同心球殼狀分佈。引力在每一層球殼上的作用強度，取決於這層球殼內部物質的平均密度。由於內層球殼密度更大，所受引力也更強，因此它們坍縮的速度比外層球殼更快。整顆恆星不會在同一時刻坍縮到一個奇點。最內層的球殼最先坍縮，然後外層球殼一層跟著一層坍縮進去。

    由此產生的坍縮不同步能夠延遲事件視界的形成。緻密的內層球殼是最有可能形成視界的地方。但是如果密度從內向外下降得非常迅速，這些球殼也許就無法湊足囚禁光線所需的質量。如此一來，這個奇點形成的時候，就會被裸露在外。因此，裸奇點的形成存在一道「門檻」：如果密度不均勻性非常小，低於一個臨界值，坍縮就會形成一個黑洞；如果密度不均勻性足夠大，一個裸奇點就會誕生。

    在另一些模型中，坍縮速度成了決定性因素，它的作用效果在恆星坍縮的一類所謂「火球模型」中表現得淋漓盡致。在這些模型中，恆星內部的氣體完全被轉化為輻射，這顆恆星實際上變成了一團巨大的火球——這種情形最早是在20世紀40年代，印度物理學家P·C·維迪雅(P. C. Vaidya)在建立輻射恆星模型時提出的。這種情況下，裸奇點的形成仍然存在一道「門檻」：緩慢坍縮的火球會變成黑洞，但如果一個火球坍縮速度足夠快，光就不會被囚禁，奇點也會裸露出來。